超高分子量聚乙烯纤维的表面改性及其复合材料性能研究

摘要

随着高性能复合材料的迅速发展，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维树脂基复合材料由于具有诸多优异性能而在众多领域被广泛应用。虽然UHMWPE纤维具有优异的性能，如高强度和刚度、耐化学性、质轻和低温下良好的机械性能，但是其表面呈惰性并且与极性聚合物（如环氧树脂）间的粘结性差，限制了其应用领域。因此本文采用多巴胺沉积以及二次功能化对UHMWPE纤维进行表面改性，以改善其界面粘结性能。
　　首先采用多巴胺氧化自聚合反应对UHMWPE纤维进行表面改性，结果表明:多巴胺改性后的纤维表面涂覆一层均匀的聚多巴胺层，粗糙度增加。经过对多巴胺改性后的纤维进行超声处理发现聚多巴胺与纤维之间有一定的粘结强度。单丝断裂力测试结果表明多巴胺改性并没有对纤维自身的力学性能产生损害。当多巴胺浓度为2 mg/mL、反应时间为24 h的条件下，UHMWPE纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度最大为0.920 MPa，相比较于未改性的纤维提高了28.31％。
　　分别以小分子多氨基化合物己二胺(HMDA)和大分子多氨基化合物聚乙烯亚胺(PEI)为二次功能化单体，对多巴胺改性后的UHMWPE纤维进行二次功能化。通过FTIR和XPS分析证明了纤维表面聚多巴胺层上成功接枝了HMDA和PEI并引入了活性官能团，从SEM图看出二次功能化改性后的纤维表面粗糙度明显增加。在HMDA浓度为10 mg/mL、反应时间为9h的条件下，改性后的UHMWPE纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度最大为1.310 MPa，比未改性的UHMWPE纤维相比较提高了82.71％;在PEI反应浓度为5 mg/mL、时间为24 h的条件下，改性后的UHMWPE纤维与环氧树脂之间的界面剪切强度最大为1.185MPa，比未改性的UHMWPE纤维相比较提高了65.27％。
　　相比较于未改性的UHMWPE纤维增强环氧树脂复合材料，多巴胺改性后的纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸断裂强力有所增加，经过二次功能化之后有了进一步提高。由复合材料的断裂截面可以发现纤维与树脂之间的界面性能得到改善，并且两相之间不易发生剥离现象。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 UHMWPE纤维简介

1．2 UHMWPE纤维的性能

1．2．1 优异的力学性能

1．2．2 优越的能量吸收特性

1．2．3 优异的抗化学腐蚀性

1．2．4 良好的耐磨性能

1．2．5 良好的耐光性能和电性能

1．3 UHMWPE纤维增强复合材料的基体树脂

1．3．1 环氧树脂

1．3．2 聚氨酯

1．3．3 橡胶

1．3．4 热固性乙烯基酯树脂

1．3．5 聚乙烯树脂

1．4 UHMWPE纤维的表面改性方法

1．4．1 化学氧化处理

1．4．2 等离子体处理

1．4．3 辐射-诱导接枝处理

1．4．4 电晕放电处理

1．5 多巴胺仿生修饰

1．5．1 多巴胺简介

1．5．2 多巴胺的聚合机理

1．5．3 多巴胺改性现状

1．6 本课题研究目的及主要内容

1．6．1 本课题研究目的及意义

1．6．2 本课题研究的主要内容

第二章 多巴胺改性UHMWPE纤维及其复合材料性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品与原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 多巴胺改性UHMWPE纤维

2．2．4 界面剪切强度测试样品的制备

2．2．5 UHMWPE纤维／环氧树脂复合材料测试样品的制备

2．3 表征与测试

2．3．1 FTIR测试

2．3．2 XPS测试

2．3．3 SEM测试

2．3．4 聚多巴胺层牢固性测试

2．3．5 TG测试

2．3．6 XRD测试

2．3．7 单丝力学测试

2．3．8 界面剪切强度测试

2．3．9 复合材料拉伸断裂测试

2．3．10 复合材料拉伸断裂截面形貌测试

2．4 结果与讨论

2．4．1 反应时间对纤维性能的影响

2．4．2 反应浓度对纤维性能的影响

2．4．3 复合材料性能分析

2．5 本章小结

第三章 HMDA二次功能化UHMWPE纤维及其复合材料性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品与原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 HMDA二次功能化改性UHMWPE纤维

3．2．4 界面剪切强度测试样品的制备

3．2．5 UHMWPE纤维／环氧树脂复合材料测试样品的制备

3．3 表征与测试

3．3．1 FTIR测试

3．3．2 XPS测试

3．3．3 SEM测试

3．3．4 单丝力学测试

3．3．5 界面剪切强度测试

3．3．6 复合材料拉伸断裂测试

3．3．7 复合材料拉伸断裂截面形貌测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 接枝时间对纤维性能的影响

3．4．2 接枝浓度对纤维性能的影响

3．4．3 复合材料性能分析

3．5 本章小结

第四章 PEI二次功能化UHMWPE纤维及其复合材料性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品与原料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 PEI二次功能化改性UHMWPE纤维

4．2．4 界面剪切强度测试样品的制备

4．2．5 UHMWPE纤维／环氧树脂复合材料测试样品的制备

4．3 表征与测试

4．3．1 FTIR测试

4．3．2 XPS测试

4．3．3 SEM测试

4．3．4 单丝力学测试

4．3．5 界面剪切强度测试

4．3．6 复合材料拉伸断裂测试

4．3．7 复合材料拉伸断裂截面形貌测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 接枝浓度对纤维性能的影响

4．4．2 接枝时间对纤维性能的影响

4．4．3 复合材料性能分析

4．5 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢